培养皿模具浇注系统优化及模具结构设计

Gating System Optimization and Mold Structure Design of Petri Dish Mold

摘要

以某型培养皿为例，利用Moldex3D模流分析软件模拟注塑成型过程，结合实验研究残余应力仿真结果驱动同模异腔模具浇口系统设计的方法。结果表明：浇口位置影响产品的应力分布，利用仿真驱动浇口系统设计可以提高同模异腔模具设计的可靠性。同时，阐述该同模异腔模具的工作原理，为同类模具的设计提供一定的指导。

Abstract

Taking a certain type of petri dish as an example, the injection molding process was simulated using Moldex3D mold flow analysis software, and a method combining experimental research with residual stress simulation results to drive the gate system design of a multi-cavity family mold was investigated. The results indicated that gate location affected the stress distribution of the product, and utilizing simulation-driven gate system design could enhance the reliability of multi-cavity family mold design. Meanwhile, the working principle of this multi-cavity family mold was elaborated, providing certain guidance for the design of similar molds.

Graphical abstract

关键词

同模异腔 / 流动平衡性 / 残余应力 / 模具结构

Key words

Mold with different cavities Flow balance / Residual stress / Mold structure

同模异腔模具因高效集成化生产特性，在小型多品种塑件(如光学镜片、精密结构件)制造中应用广泛。然而，型腔体积差异导致熔体流动不平衡，不仅引发充填时间差和飞边/欠注缺陷，更显著加剧制品残余应力，造成翘曲变形^[1-2]与光学畸变^[3-5]。研究表明，残余应力的分布与浇口位置高度耦合^[6]，浇口位置与尺寸直接影响熔体剪切速率和分子取向。侧浇口易在浇口对角区形成高剪切应力，而点浇口通过中心辐射充填可使应力分布均匀化^[7-8]。浇注系统平衡性是控制多腔流动同步性的核心。非对称流道设计可补偿产品体积差异，降低保压阶段压力梯度诱发的收缩应力；浇口-冷却协同设计能够抑制热残余应力，显著减少因冷却不均导致的翘曲^[9-12]。当前透明件注塑模具优化策略主要依托模流分析与模具结构创新^[13]，如通过模流分析提升流道流动平衡性^[14]、优化浇注系统^[15]，或调整工艺参数以改善产品光学性能。通过模流分析辅助多腔模具浇注系统设计^[16-18]是研究流动平衡的主要方法。研究人员尝试在流道内使用节流阀调节各腔流量，或将X型流道优化为S型流道以改善分道内熔体流动状态；也有研究人员利用模流分析软件的流道平衡算法，通过优化各流道直径实现流动平衡^[19-20]。此外，同模异腔模具在脱模机构、抽芯机构设计方面存在一定难度，常见结构以两腔或三腔为主^[21-22]，针对多腔透明件的模具结构优化策略尚缺乏深入研究。

本工作以包含4腔皿体+4腔皿盖的同模异腔模具为研究对象，利用Moldex3D模流分析软件模拟注塑成型过程，为热流道结构设计提供理论依据，揭示浇口位置对透明件流动残余应力的影响规律。建立相应模具三维数模，阐释实验模具工作原理，通过实验验证结构设计的可靠性。

1 建立模型

图1为培养皿产品结构。从图1可以看出，皿盖产品的最大外轮廓尺寸为91.7 mm×91.7 mm×8.4 mm，平均壁厚为0.74 mm，质量为7 g。皿体产品的最大外轮廓尺寸为88.0 mm×88.0 mm×12.8 mm，平均壁厚为0.74 mm，质量为7.4 g。两者质量差异较小，产品结构较为简单，均为透明件。

热流道具有可以在生产过程中持续加热、开模无须等待流道冷却的特点，能够大幅提升生产效率，故该模具浇注系统选用热流道。热流道系统通常分为开式热流道与阀式热流道。考虑到阀式热流道具有充填速度快、封胶速度好的优点，因此模具选用阀式热流道结构。阀针选用圆柱头阀针，虽然与圆锥头阀针相比具有定位精度较差的缺点，但是在阀针行程确定后，可以避免浇口闭合力难以计算导致的封胶失败问题。在工程实践中，圆柱头阀针行程的经验值容易确定，可以通过结构设计控制阀杆行程的准确性，本工作设计的热流道分流板内流道直径为12 mm，喷嘴热流道直径为8 mm，阀针下半部分直径为3 mm，浇口直径为1.2 mm。

建立热流道模型时，热流道分流板采用自然平衡式流道布局。由于本研究对产品的透明度具有一定要求，而产品的透明度与流动残余应力的分布息息相关，为研究浇口位置对流动残余应力的影响，设计中心式浇口与非中心式浇口两种浇口位置的进浇方案。两种热流道模型除了浇口位置及喷嘴高度不同外，其余热流道各参数均相同，以达到控制变量的要求。此外，为提升生产效率，实现同模异腔模具的设计意图，结合两种方案分析结果，进一步设计同模异腔的热流道系统方案三。图2为3种方案热流道进浇方式。

建立冷却水路模型时，为避免干涉，应考虑产品排位以及顶出结构对冷却水路的影响。本工作中产品的结构较为简单，没有倒扣，无须设计特殊的顶出结构。同侧相邻产品排位中心距为160 mm，故设计水路时，需要考虑位于产品侧壁的水路与产品面的距离。综合考虑设计产品侧壁的冷却水路直径为6 mm，模具后模冷却水路为8条一进一出的环形水路，均匀布置在各个型芯，简化模型后水路主体直径为8 mm。图3为冷却水路三维模型。

产品材料为通用级聚苯乙烯(GPPS)，具有折射率高、吸湿性强的特点，适用于培养皿的制作要求。最佳成型工艺参数熔体温度为190~270 ℃，模具温度为25~40 ℃。

利用Moldex3D软件独有的边界层网格(BLM)功能对产品划分网格。图4为网格划分。

方案一皿盖实体网格数量为1 268 358个，热流道实体网格数量为914 829个。方案一皿体实体网格数量为1 214 617个，热流道实体网格数量为915 198个。方案二皿盖实体网格数量为1 268 062个，热流道实体网格数量为914 829个。方案二皿体实体网格数量为1 216 251个，热流道实体网格数量为915 224个。因方案三为同模异腔模具，故统计实体网格数量时，计算的是皿体+皿盖的实体网格数量，共为1 242 686个，热流道实体网格数量为915 365个。3种方案冷却水路无变化，其实体网格数量为1 188 002个。

2 结果与讨论

利用Moldex3D仿真产品成型过程，工艺参数设定熔体温度为260 ℃，模具温度为25 ℃。在此注塑工艺参数条件下，对3种方案的产品注塑成型过程进行模拟。由于残余应力对塑件的光学性能、结构强度与翘曲变形均有影响，包括不限于残余应力会进一步造成塑件的光学畸变、光斑，甚至引发散射。而研究对象培养皿需要满足利用显微镜正常观察皿内细胞生产状态的要求，产品需要具有一定的光学性能，所以需要研究残余应力对产品质量的影响。注塑产生的残余应力分为热残余应力与流动残余应力，其中流动残余应力占比较高，为残余应力的主要影响因素。

进一步研究流动残余应力引发的塑件缺陷及改善方法。图5为3种方案流动残余应力云图与方案三暗场实验结果。从图5可以看出，方案一与方案二两组仿真试验浇口位置均出现残余应力集中现象。浇口处的流动残余应力最大，方案一皿盖和皿体浇口位于产品正中央，流动残余应力最大的位置也位于产品中央，皿盖的流动残余应力最大值为1.155 MPa，皿体的流动残余应力最大值为1.115 MPa。方案二皿盖和皿体的浇口均位于产品底面的边缘，相应流动残余应力的最大值也随之转移到底面的边缘，方案二皿盖的流动残余应力最大值为3.977 MPa，皿体的流动残余应力最大值为4.654 MPa。方案三为皿盖+皿体排位，最大应力为3.015M Pa。

图6为3种方案困气位置仿真结果。从图6可以看出，方案一料流抵达流动末端的速度一致，产品流动充填末端位于产品侧壁，缝合线与困气也大多位于此处。显而易见，流动平衡性较好是方案一的充填优势。方案二的浇口靠近产品侧壁，仿真结果显示残余应力集中的位置也从产品中央移动到产品边缘，相应的产生微裂纹的风险也转移到了产品边缘，说明方案二有利于提升产品的使用性能。

根据聚合物的流动性质，产品壁厚越薄的位置，流动阻力越大；反之，壁厚越厚，流动阻力越小。皿体与皿盖产品的底面均为0.80 mm，产品侧壁的壁厚均为0.65 mm，仿真结果表明由于聚合物这一特点造成侧壁的流动速度小于底面，这使方案二的进浇方案中困气位置会聚焦在产品侧壁熔体汇聚的位置，困气点数量较方案一有所减少。由于热流道板是X型热流道，从注塑机与模具间的进浇口到产品各个浇口的流长一样，没有冷流道的剪切生热导致的流动不平衡，且皿盖和皿体的质量和外形尺寸相差不大，方案三采用同模异腔模具设计，可以提升生产效率，缩短生产节拍。方案三仍采用X型热流道设计，进一步进行仿真研究。为了验证仿真结果的有效性，试模生产一批样件，并结合光弹实验研究应力分布规律。当浇口移动至产品底面边缘时，可以发现仿真结果中流动残余应力的变化趋势与光弹实验中暗场观测结果一致，验证仿真的有效性。

3 模具工作原理

利用模流分析中的仿真结果对模具结构协同设计，其中浇注系统与冷却系统结构参照模流分析的模型进行设计。图7为产品分型设计。由于产品形状较为规整，产品分型面位于产品沿口，分型后设计成型零部件较为简单，为便于对多个型腔进行加工以及配模，型芯与型腔设计为镶拼结构。模具为同模异腔模具，各腔产品不同，需要进行防呆设计。为了在合模时能够分担足够的注塑压力，在型芯镶块、型腔镶块四周设计有平衡垫块。在注塑机推动模具合模，起高压的过程中，可以保护型腔镶块与型芯镶块。

在进行模具脱模机构设计时，由于脱模机构有部分位置是产品成型面，需要设计排气结构，参照模流分析结果中产品的困气位置，设计排气系统。图8为脱模机构三维结构。脱模机构设计为组合式脱模板，然后在脱模镶块间设计2 mm宽的虚位，达到排气的效果。脱模镶块通过螺栓固定在脱模板上，当模具顶出运动时，由导柱提供导向作用。在脱模板导柱孔内镶嵌石墨铜套，在注塑机顶出杆的作用下，脱模板带动脱模镶块向注塑机X方向运动，带动产品脱离型芯。同时，脱模板侧面设计有方导柱，辅助导向。

由于脱模镶块和型腔镶块间存在硬度差，两者相碰撞后容易形成凹痕。同时，因为受限于产品排位、型芯镶块间距较小、型芯存在较复杂的水路结构等问题，较常见的摆杆式复位机构、连杆先复位机构等装置占据空间较大，并不适用。为此，设计一种依靠注塑机顶出杆与模具中心顶杆通过螺纹相连的脱模机构。

当模具顶出时，注塑机顶出杆推动模具中心顶杆和对称分布在后模底板的6个顶出配件向前运动，中心顶杆与特质套筒过渡配合，特质套筒通过螺栓与脱模板相对固定，其他顶出配件通过螺栓与脱模板相对固定，螺栓穿过平衡垫块。通过上述方式，注塑机顶出杆可以带动脱模板及脱模镶块运动。当需要实现脱模板先复位功能时，注塑机顶出杆后退，通过螺纹拉动中心顶杆后退，间接带动脱模板和其他顶出配件后退，实现复位。为了避免脱模镶块与型芯镶块相撞，脱模镶块设计一定斜度(12°)。

模具整体尺寸为770 mm×540 mm×566 mm。图9为模具的三维模型与样机。从图9可以看出，模具为典型的热流道模具，没有采用标准模架设计。其工作原理如下：

(1)注塑：注塑机料筒内的熔体被螺杆推动从喷嘴进入模具热流道分流板内，阀针在气缸的作用下开启，熔体顺着喷嘴进入模腔内，充满型腔后，进行冷却。

(2)开模：冷却结束后，在注塑机码模板的带动下，前模与后模分开。

(3)顶出：脱模方式为强行脱模，在注塑机顶出杆的推动下，模具顶杆和其他顶出配件带动脱模板与脱模镶块一同沿注塑机X方向运动，顶出行程为25 mm。顶出过程在脱模机构设计中已详细描述。

(4)复位：在注塑机顶出杆的拉动下，模具中心顶杆带动脱模板和其他顶出配件复位，脱模板与后模底板贴合，实现复位要求。

(5)合模：在注塑机的码模板推动下，使模具后模向前模运动，实现合模动作，随后开始下一周期的注塑。

4 实验验证

采用DKM180FE注塑机，该型注塑机最大锁模力为1 800 kN，满足产品注塑需要。图10为注塑产品实体。从图10可以看出，样品满足使用要求，验证了模具结构设计方案的可靠性。

5 结论

本文建立了产品、热流道和冷却水路的三维模型，用于仿真，提出一种模流分析结果驱动同模异腔模具浇口位置设计的方法，将流动残余应力作为衡量多腔透明件平衡性的因素之一，结合应力偏光仪的实验结果，验证该方法的有效性。针对同模异腔模具的特点，提出一种脱模机构的设计方案，与常规的脱模方案相比，该脱模方案具有较好的运动同步性，可以更好地辅助透明件脱模。脱模过程中没有造成产品拉伤、顶白等缺陷。文章阐述了模具工作原理，包括排气系统的设计方式，通过实验验证模具结构设计的可靠性。

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